单相多功能电能计量芯片


单相多功能电能计量芯片 FAQ——ATT7051/ATT7053(370-CS-001)

钜泉 单相多功能电能计量芯片 FAQ ——ATT705x V0.7
版本号 V0.1 V0.2 V0.3 V0.4 V0.5 V0.6 2010-01-25 2010-01-26 2010-01-26 2010-02-23 2010-03-11 2010-07-08 修改时间 初始版本 勘误; 增加 FAQ1 和 3,以及顺序调整 勘误; 增加 FAQ2,以及顺序调整 增加 FAQ 15、16、17、18 增加 FAQ19;修改措辞。 题 目 修 改 为 ATT705x , 即 ATT7051/53/59; 修改 SPI,增加例程;修改自动防 窃电方式; 增加 FAQ20:7059vs7053 去掉原 FAQ4:E 版以后 VDD1P8 和 VREF 管脚外接滤波电容 10uF 经过验证可以不加。 修改内容

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2010-08-02

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外部晶振必须增加 10Mohm 偏置电阻...................................................................................................3 推荐的电压输入信号。 (电流信号幅度根据实际情况定)..................................................................3 ATT7051/53 和 MCU 的 IO 口线连接.....................................................................................................3 5VDC 工作系统中如何与 ATT7051/53 的 3.3V 工作电压进行电平转换 ............................................4 ATT7051/53 工作晶振的选择与应用以及晶振布线原则 ......................................................................5 ATT7051/53 上电后多久会出脉冲 ..........................................................................................................6 ATT7051/53 适用的计量交流电频率范围是多少 ..................................................................................6 P-offset 和 RMS-offset 应用以及对视在功率的影响 .............................................................................6 如何使用第二路电流通道设计防窃电功能 ...........................................................................................6 断相防窃电功能设计 ...............................................................................................................................7 SPI 通讯设计 ............................................................................................................................................7 能否选用第二路电流通道作为当前的计量通道....................................................................................8 功率及有效值(RMS) 折计算公式 ..........................................................................................................9 如果只使用 2 路 ADC,第二路电流通道怎样处理最好? ................................................................10 考虑到 P-offset 和使用第二路电流通道的校表流程 ...........................................................................10 AUTODC 可以长期打开吗?................................................................................................................10 如何通过射频辐射抗扰度试验? .........................................................................................................10 如何解决脉冲群试验中 IRMS 不为零的现象?.................................................................................. 11 ATT7053 VS ATT7059............................................................................................................................ 11

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1

外部晶振必须增加 10Mohm 偏置电阻

A:如图 1,

图1

2

推荐的电压输入信号。 (电流信号幅度根据实际情况定)

A:电压通道推荐输入为 200mV 有效值。电压信号太大,会导致串扰,以及量程溢出;太小会影响内部精 度。 可选择的范围 143mV~350mV, 此推荐的电压范围可以保证 70%Un 以及 60%Un 输入时的精度符合国 标。

3

ATT7051/53 和 MCU 的 IO 口线连接

A:ATT7051/53 和 MCU 连接的口线有 4 个; ATT7053 可选择连接 MCU 的口线有 2 个; ATT7051 可选择连接 MCU 的口线有 6 个; ATT7051/53 和 MCU 连接的 4 个口线:SPI_CLK/ SPI_DIN/ SPI_DOUT/ SPI_CS SPI_CS 必需连接,以保证 CLK 时序的正确,CS 每次拉低后 SPI 操作 4 个字节,不足 4 个字节的部分 补充 0 或 0xFF; ATT7053 可以选择连接的口线: 1. /RST:ATT7051/53 硬件复位 PIN,可以实现 MCU 对 ATT7051/53 的硬件复位功能。 /RST 如果不连接 MCU,应该外接 RC 电路(如图 2) ,10Kohm 上拉到 3.3Vcc,0.1uF 滤波电容接地; 当 ATT7051/53 Vcc 受到干扰时,芯片内部的 BOR/LBOR 功能(0x43H BOREN)能较好的保证芯片被复位 住;同时可采用 ATT7051/53 内部的软件复位功能(33H)SRSTREG=0x55; 2. IRQ:ATT7051/53 中断输出 PIN,可用作过零中断输出 PIN。 相对于 ATT7053,ATT7051 增加的 4 个 PIN 为: 1.SLEEP:睡眠模式控制 PIN,可直接控制计量芯片进入睡眠状态,以降低功耗。 SLEEP 如果不连接 MCU,应作外部上拉处理。ATT7053 没有 SLEEP 模式。 2.VDCIN/ADCIN:外部电压检测 PIN; 3.STATUS:可以配置为输出 ATT7051 的状态 PIN,或保持默认 I/O 输出功能(GICFG=0 0x45H); 4.PWM:可以输出系统分频的方波;

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图2

4

5VDC 工作系统中如何与 ATT7051/53 的 3.3V 工作电压进行电平转换

A:在 5V 系统中,除了需要增加稳定的 3.3V 的电压输出给 ATT7053 工作外,SPI(和/RST)和 MCU 通 信也需要进行电平转换,根据电表的不同需求分两种情况 第一种情况:带有 CPU 卡的隔离系统,可直接通过光藕隔离实现电平转换; 第二种情况:非隔离系统,ATT7051/53 和 MCU 直接连接。 5V 转 3.3V 可以通过电阻分压方式实现(如图 3) ;

图3 3.3V 转 5V 可利用三极管反相器电路实现(如图 4) ,考虑到 SPI 的数据反相问题,需要在软件中 进行取反操作; 3.3V 转 5V 也可采用两级三极管反相电路(如图 5)而不用软件取反。
注:图中三极管可取 2N2904 或 9014 等高速小功率管,β>100 为佳。RC 数值视应用需要可调整,下图取值支持信号频率 上限<1MHz,扇出能力>10CMOS gate.

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图4

图5

5

ATT7051/53 工作晶振的选择与应用以及晶振布线原则

A:ATT7051/53 以 5.5296MHz 作为芯片的系统时钟进行设计的,系统启动后 EMU(计量单元)时钟为 900kHz,ADC 时钟为 900kHz。 5.5296MHz 外部晶振: 当用户重新配置 EMU 时钟(FrqCFG 0x41H) ,EMU 时钟和 ADC 时钟还可以选择同时为 1.8MHz 或 同时为 450kHz,这时 P-offset 计算结果需要相应减半或加倍; 如果选择 5.5296MHz 以外的晶振: 6MHz:可以替换 5.5296MHz 外部晶振,需要如下修改: 1,EMU 时钟和 ADC 时钟需要相应乘以系数 6M/5.5M; 2,电压频率测量需乘上系数 6M/5.5M; 3,有功、无功相位校正计算公式中 1.732 需乘上系数 6M/5.5M(包括移采样点方式和 PQ 方式) ; 4,CF 脉宽减小为 80ms 左右。 晶振布线原则:时钟信号走线长度尽可能短,线宽尽可能大,与其它印制线间距尽可能大,紧靠器件 布局布线,必要时可以走内层,以及用地线包围。

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6

ATT7051/53 上电后多久会出脉冲

A: ATT7051/53 对应电流通道 1.7mv 输入, 电压通道 220mv 输入情况下, 在默认模拟增益 1 倍时, 3.3VCC 当 经过 800us 稳定时间后, 需要 16 秒左右才会出一个脉冲,在使用锰铜的方案中,一般建议用户选择电流 通道采用 16 倍增益,故 MCU 完成对 ATT7051/53 的初始化后才会根据电流的大小以相应时间出脉冲,不 会出现电表还没有初始化就冒脉冲的现象。

7

ATT7051/53 适用的计量交流电频率范围是多少

A:ATT7051/53 设计的计量交流电频率范围是 45Hz 到 65Hz,在此频率范围内能够保证所有精度的正确性 与精确性,例如频率影响量试验,精度没有变化。在此频率范围以外,例如中频 1KHz,如果频率稳定, 计量参数输出一个相对稳定的值,需要软件进行补偿;如果输入信号频率跳动,将无法适用。

8
A:

P-offset 和 RMS-offset 应用以及对视在功率的影响
P-offset:ATT7051/53 的 offset 功能可以改善因板级噪声引起的小电流误差大的问题。一般 5%Ib 精度 不大于 0.5%时可以通过 P-offset 进行校正,否则应检查 Ib 时的精度误差,以及改善布板,降低板级噪 声。 RMS-offset:因上述同样原因导致小信号 RMS 误差大时,可以通过 RMS-offset 进行校正。建议用户 在输入为 0 时读取 IRMS 的多次平均值,乘上 0.5,然后根据手册提供的公式计算写入 RMSOFFSET 寄存器, (由于噪声电流跳动大,写入的 offset 太大,会导致在 sqrt 之前有小于 0 的情况,导致结果错 误) 。 输入为零或者干扰试验时,视在功率有大值或者冒脉冲的现象: 正常情况下,在 RMS-offset 补偿后,0 输入下视在功率不会出现很大的值或者冒脉冲的现象。 根据公式 S = URMS * IRMS ,如果有较大的噪声干扰到电流通路,此时会影响 IRMS,进而会影响 到视在功率。但此时不应该发脉冲,因为视在是通过 P 和 Q 均小于启动阈值来完成潜动启动的。 如果有脉冲,说明 P 或者 Q 未被潜住,这时用户应在正常情况下检查以下步骤: 看有功功率寄存器是否大于启动阈值,如果有,进行 P-offset 校正; 看无功功率寄存器是否大于启动阈值,如果有,进行 Q-offset 校正;

9

如何使用第二路电流通道设计防窃电功能

A:用户可以手动选择相应的通道进行计量,也可选择自动防窃电进行自动切换。 手动方式:用户在程序中判断是否发生窃电。 开启 ADC2 通道:Adc_I2on=1; 使能第二路功率计算:PPXEN=1; 通过 I2GAIN 对第二通道的输出校正, 保证同样的输入电流时, 两个通道的有效值输出一致; 设置 CHNSEL(EMUCFG.5)选择当前的计量通道; 设置 CIADD 确定是否选择两路电流代数和相加模式; 自动防窃电方式: 开启 ADC2 通道:Adc_I2on=1; 使能第二路功率计算:PPXEN=1; 设置防窃电的判断依据是有效值(tampsel=0,default)或有功功率(tampsel=1) ; 根据需要检测窃电的最小电流或功率值,设置 IPTAMP;
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设置通道间窃电阈值 Chk 值; 通过 I2GAIN 对第二通道的输出校正, 保证同样的输入电流时, 两个通道的有效值输出一致; 开启防窃电功能:FLTON=1; 定时察看窃电标致 TAMP(EMUSR) ATT7051/53 会 根 据 是 否 窃 电 自 动 选 择 当 前 的 计 量 通 道 , 并 且 指 示 在 ChanelStatus /I2PPXGTI1P(EMUSR)

10 断相防窃电功能设计
A:ATT7053 的三路 ADC 可以控制分别打开,推荐用户选择关闭电压通道 ADC,只打开计量电流 ADC 通道,并使用校表时固定写入电压寄存器 UCONST(64H)的电压值来计算视在功率,这样功耗最小。

11 SPI 通讯设计
A:SPI 特点: ATT7051/53 作为 SPI 从机; ATT7051/53 以 SCK 上升沿输出数据,SCK 下降沿采样数据到 ATT7053,MSB 在前,LSB 在后; 通讯速率最高可达 1.4Mbps; 每次通讯为固定 1byte 命令+ 3bytes 数据,处理完这 4bytes 后 CS 必需拉高一次,数据部分不足 3 个 字节的部分补充 0 或 0xFF; SPI 对命令操作格式:1byte 命令最高位 bit7 表示读写控制位,bit[6:0]表示数据地址: bit7=0 ;表示读命令,用于 MCU 读取 ATT7053 的寄存器; bit7=1 ;表示写命令,用于 MCU 更新 ATT7053 的寄存器; 当 SPI 速率为 500Kbps 时,发送 1byte 命令与等待 3bytes 返回数据之间的△t 为 3 个 CLK 时间,低于 这个速度时不用考虑等待时间。 SPI 通讯可靠性: 芯片提供 SPI 通讯数据备份寄存器(0x16H)和通讯校验和寄存器(0x17H)可以检测 SPI 的通讯数据 正确与否。 如果在通讯过程中发生 CS 拉高的情况, 会置位 SPIWrongIF (31H) 并通过 IRQ PIN 放出。 , 例程: Unsigned long ReadSpi(unsigned char Com) { unsigned char n; unsigned long data; data=0; //enable SPI CS=1; SCLK=0; CS=0; //send 1byte command, bit7 default with 0 for(n=7;n>=0;n--) { SCLK=1; DIN=Com.n; SCLK=0;
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} /* Delay(10); //if speed over 500bps, delay 3us */ //received 24bits data for(n=23;n>=0;n--) { SCLK=1; Data.n=DOUT; SCLK=0; } CS=1; return(data); } void WriteSpi(unsigned char Com, unsigned long data) { //enable SPI CS=1; SCLK=0; CS=0; //send 1byte command,bit7=1 Com|=0x80; for(n=7;n>=0;n--) { SCLK=1; DIN=Com.n; SCLK=0; } //send 24bits data for(n=23;n>=0;n--) { SCLK=1; DIN=data.n; SCLK=0; } CS=1; }

12 能否选用第二路电流通道作为当前的计量通道
A:可以。 打开第二路 ADC 通道以及 I2 相应功能即可; 此时的防窃电:可以使用手动防窃电,不能使用自动防窃电功能,因为用自动防窃电时,当 I1、I2 均 小于 IPTAMP 时,系统默认 I1 通道计量。

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13 功率及有效值(RMS) 折计算公式
A:功率、有效值的显示可以直接乘上相应的系数 Kx 即可。为了检验 Kx 是否正确,可参照下面的近似 折算公式。 有功功率折算公式:

Px =

Pr eg * 51840 *10^ 6 2^ 23 * EC * HFConst

Preg —— 为从功率寄存器 PowerP 读取的功率值 EC —— 为电表的脉冲常数 HFconst —— 为 ATT7053 的 HFConst 寄存器
注:计算出的功率值单位为 W。

无功功率折算公式:

Px =

Pr eg * 51840 *10^ 6 2^ 23 * EC * HFConst

Preg —— 为从功率寄存器 PowerQ 读取的功率值 EC —— 为电表的脉冲常数 HFconst —— 为 ATT7053 的 HFConst 寄存器
注:计算出的功率值单位为 Var

IRMS 折算公式:

Ix =
It Ris Gain

It Ris * Gain *1.11 * 2^ 23

—— 从 IRMS 读取的电流有效值数据 —— 电流取样电阻阻值 —— 电流通道增益

注:如果使用电流互感器取样,还需要乘以互感器的变比

URMS 折算公式:

Ux =
Ut Rt Rus Gain —— —— —— ——

Ut * Rt Rus * Gain *1.11 * 2^ 23

从 URMS 读取的电压有效值数据 电压通道电阻串的总电阻值 为电压取样的分压电阻阻值 电压通道增益

注:以上公式计算出的功率值是比较精确的,但有效值只能作为粗调,还需要参考用户手册最后推荐的校表流程第 7 步进 行精确校验。

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14 如果只使用 2 路 ADC,第二路电流通道怎样处理最好?
A:ATT7051/53 的采样通道输入的是差分信号,最好把两个 PIN 连接在一起拉到 AGND,以避免可能存在 过高的共模信号。

15 考虑到 P-offset 和使用第二路电流通道的校表流程
A:参看如下简单的过程,校表细节和公式请参考用户手册。 校表开始 1, 高频脉冲常数 HFConst 校正; 2, 第一通道增益 GP1、GQ1、GS1 校正; 3, 第一通道相位 GPhase1 校正; 4, 有效值转换系数 K_I1rms, K_Urms 校正; 5, 功率增益转换系数 Kpqs1 校正; 检查小信号误差,如果误差略大,执行 6,否则可以跳过; 6, 进行 P1-offset,Q1-offset 校正; 第二路电流通如道校正:果初始化打开第二电流通道,校表还要执行 7~11,否则可以跳过; (注意 I1、I2 的切换) 7, 校验 I2GAIN; 8, 第二通道增益 GP2、GQ2、GS2 校正; 9, 第二通道相位 GPhase2 校正; 10, 第二路电流 K_I2rms 校正; 11, 第二路功率增益转换系数 Kpqs2 校正; 如果校验了 P1offset,执行 12,否则可以跳过; 12, 进行 P2-offset,Q2-offset,校正; 结束

16 AUTODC 可以长期打开吗?
A:建议客户不要长期置 AUTO=1,即 ModuleEn(42H)Bit13。 AUTO=1:表示使能直流偏置校正,一般直流电表应用或 I、U 通道都接互感器的方式可以使用该功能,必 须在前端同时关闭 3 个通道的高通(否则会引入相位差) ,使 DC 信号进入芯片内部运算环节,通过 I1off、 I2off、Uoff 将直流成分减掉;校正结束后此位会自动清零。 一般使用锰铜的电能表不需要修改此位。

17 如何通过射频辐射抗扰度试验?
A: 1、 AVCC/DVDD 再增加 30pF(npo 材质最好)退耦电容,并靠近芯片管脚,电容最好是 NPO 材质,因 NPO 材质具有更好的 RF 特性; 2、 Vref 加 10uF+0.1uF 退耦电容,并靠近芯片管脚; 3、 AGND 与 Vref 退耦电容共 GND,不能切割; 4、 AGND/GND 做到大面积铺。
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如图所示:

18 如何解决脉冲群试验中 IRMS 不为零的现象?
A:对于 EFT 的噪声较难滤掉而表现出的 Irms 不为零的现象,可以用软件的方法规避: 已验证: 功率 P 在 EFT 实验的时候的变化为 0.1%以下 功率 Q 在 EFT 实验的时候变化更小。 软件的判断标注是: 当有功功率值 大于 0.3% 或者 无功功率值 大于 0.3% 此时显示电流有效值 当然用户可以把条件反过来判断: 当有功功率值 小于 0.3% 并且 无功功率值 小于 0.3% 此时不显示电流有效值 在 EFT 实验的过程中没有看到视在 S 发脉冲的情况,说明有功无功被潜住了,视在功率也就被潜住。

19 ATT7053 VS ATT7059
A: ATT7059AU 与 ATT7053A 除了第二路电流的 ADC 输入 pin 外,其余管脚兼容,寄存器上也完全兼容 (第二路 ADC 相关的功能没有) ,SUMChecksum(18H)默认值也和 ATT7053 相同,为 0x010169。 由于外部 pin 上未提供第二路电流 ADC 输入,建议客户将第二路电流 ADC 保持其默认关闭状态。 ATT7053 的程序和硬件关闭第二电流通道相关功能,可以完全兼容 ATT7059。

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